Tecnología eléctrica. 2º Edición ampliada y revisada. Ramón Mª Mujal Rosas

Transcripción

1 Tecnología eléctrica º Edición ampliada y revisada Ramón Mª Mujal Rosas

2 Prólogo 7 Prólogo La idea de crear un libro que abarque, aunque de forma general, la mayor parte de la electricidad, surgió ante la necesidad de disponer de un material de estudio apto para las nuevas carreras de Ingeniería de Segundo Ciclo, orientadas a estudiantes con poca disponibilidad de tiempo, o con dificultades para la asistencia regular a las facultades. Por ello, el enfoque dado a esta obra ha sido autodidáctico, con abundancia de explicaciones y ejemplos, que permitan una comprensión rápida, autónoma y eficaz de los temas, a veces complejos, que conforman esta disciplina. Aparte, con la inclusión de numerosos casos prácticos totalmente resueltos, se facilita el aprendizaje, la comprensión y la consolidación de los conceptos teóricos dados. Esta es la segunda edición, de una obra eminentemente práctica, sin más pretensiones que las de ofrecer, en un sólo libro, los aspectos teóricos y prácticos más importantes que rigen, tanto la técnica, como la seguridad, la economía, o las posibilidades futuras (ventajas e inconvenientes) que la electricidad lleva consigo. La obra ha sido estructurada cinco bloques, con un total de trece capítulos ó temas bien diferenciados. El primer bloque (capítulo primero) es una globalización de la electricidad, siendo su comprensión de vital importancia para el seguimiento del resto de los capítulos del libro. Concretamente, el primer capítulo es una introducción al mundo de la electricidad. En él se exponen los principios históricos, así como los motivos que han permitido una evolución tan rápida como la que ha experimentado ésta energía. Seguidamente, y de forma muy superficial, se detallan todas las operaciones que se efectúan con esta energía, que incluyen, desde su generación y transporte, hasta su consumo final. El segundo bloque está formado por los capítulos segundo, tercero y cuarto. Estos capítulos están dedicados a la explicación de los parámetros eléctricos (resistencia e inductancia, en el capítulo segundo; capacidad y conductancia, en el capítulo tercero; y métodos de cálculo de las líneas de transporte de energía eléctrica, en el capítulo cuarto); Estos capítulos, son de suma importancia, ya que permiten la comprensión de algunas de las magnitudes y de los efectos eléctricos más importantes (intensidad, tensión, resistencia, potencia, efectos: corona, aislador y pelicular; filtros, rectificadores, limitadores, etc.). El tercer bloque está formado por los capítulos quinto, sexto y séptimo. El primero de ellos trata de los riesgos eléctricos que entraña la electricidad, detallándose las variables que más influyen en un

3 8 Tecnología eléctrica contacto eléctrico. Una vez conocidos los riesgos eléctricos, el capítulo sexto, nos propone los sistemas de protección más empleados, así como los criterios que definen su correcta elección para cada caso concreto. Finalmente, se dedica un capítulo completo (el séptimo), a la protección de los sistemas mediante la puesta a tierra de las instalaciones, dada la importancia que éste método ofrece, tanto para la seguridad de las personas como de las instalaciones. El cuarto bloque está formado por los capítulos octavo y noveno y es quizás el bloque menos definido, ya que engloba diversos temas del mundo eléctrico. Concretamente el capítulo octavo versa sobre las máquinas eléctricas; indicándose los principios de funcionamiento de las citadas máquinas y profundizándose en la más típica de ellas, el transformador, del cual se realiza un estudio muy completo. El capítulo noveno, versa sobre la regulación de la tensión y la pérdida de potencia en las líneas de transporte de energía eléctrica. Éste es un capítulo muy completo e importante, ya que permite la total resolución de problemas eléctricos reales contemplando desde su generación y transporte hasta su recepción en los puntos de consumo. En este capítulo, conviven las demostraciones teóricas con ejemplos totalmente resueltos que permiten una mejor asimilación dada la complejidad del tema. El quinto bloque esta formado por dos capítulos dedicados a la generación de la energía eléctrica. Así el capítulo décimo versa sobre las energías renovables más utilizadas ó con más posibilidades de futuro (eólica, solar, biomasa, geotérmica, marina, etc.). Para cada tipo de energía se detallan sus antecedentes, las técnicas empleadas, su situación actual, sus repercusiones medioambientales, así como las ventajas, inconvenientes y perspectivas de futuro que éstas ofrecen. Por su parte el capítulo decimoprimero esta dedicado a las centrales convencionales (térmicas, nucleares e hidroeléctricas), fuentes que por el momento producen la mayor parte de la energía que consumimos, a la espera que las energías renovables puedan asumir una parte importante de esta aportación. En este capítulo se realiza un estudio detallado de las mismas, incidiendo muy particularmente, tanto en su modo de funcionamiento, como en el de los problemas medioambientales a ellas asociados. El sexto bloque y último, esta dedicado al estudio económico de los sistemas de potencia. El bloque esta formado por los capítulos decimosegundo y decimotercero. Concretamente el capítulo decimosegundo versa sobre las tarifas eléctricas y en él podemos encontrar temas como los tipos de tarifas, complementos y bonificaciones, elección del tipo de suministro para cada caso y situación, así como unos problemas resueltos finales, a modo de ejemplo, que nos permitirán asimilar los conocimientos teóricos aprendidos. Finalmente, el capítulo decimotercero, es un compendio del funcionamiento económico de los sistemas de potencia. En este capítulo podremos encontrar temas como el despacho económico, el control automático de generación y la programación a corto, medio y largo plazo de las infraestructuras. Asimismo, se explicarán diversas técnicas para la producción y transporte de la electricidad con la seguridad, calidad y máxima eficiencia económica que exigen los tiempos actuales. Finalmente unos anexos dedicados a las fórmulas, tablas, gráficos y esquemas necesarios tanto para un conocimiento general de la materia, como para la correcta resolución de los problemas, se adjuntan al final del libro. No quisiera terminar esta introducción, sin agradecer a todos los que de alguna forma han ayudado en la confección de este libro, mediante sus observaciones, rectificaciones, ó consejos, siempre de gran utilidad y en especial a mi familia por la paciencia y comprensión mostrada. A todos ellos mi más sincera gratitud. El autor Terrassa, mayo de 003

4 Índice 9 Índice I La electricidad: conceptos previos... 3 La electricidad. Historia de la electricidad Cronología histórica de la electricidad Estructura de un sistema eléctrico Suministros eléctricos....5 Parámetros eléctricos característicos Tensiones más frecuentes utilizadas en España Elementos constitutivos de los sistemas de potencia Generación de energía eléctrica Cuestiones y problemas II Parámetros eléctricos y cálculo de líneas eléctricas Parámetros eléctricos longitudinales. (Resistencia e inductancia). Aspectos generales Resistencia. Conductores. Efectos pelicular y proximidad Inductancia. Campo magnético. Cálculo de la inductancia Cuestiones y problemas Parámetros eléctricos transversales. (Capacidad y conductancia) 3. Capacidad. Efecto Ferranti. Cálculo de la capacidad Conductancia. Efectos corona y aislador Problema resuelto del cálculo de los efectos corona y aislador Cuestiones y problemas... 93

5 0 Tecnología eléctrica 4 Cálculo de líneas eléctricas 4. Introducción Conceptos previos Diagramas Tipos de parámetros Cálculo de líneas. Métodos de las constantes, en "T" y en "Π" Problema resuelto de cálculo de líneas eléctricas por todos los métodos Cuestiones y problemas...30 III Riesgos eléctricos y protección de sistemas de potencia Riesgos eléctricos 5. Introducción Primeros auxilios en un accidente de origen eléctrico Efectos de la corriente eléctrica sobre el organismo humano La electricidad estática Tipos de accidentes eléctricos Cuestiones y problemas Protección de los sistemas eléctricos 6. Protección de los sistemas eléctricos. Sobrecargas, cortocircuitos, defectos a tierra Coordinación de los sistemas de protección. Selectividad eléctrica Tipos de contactos eléctricos Técnicas de seguridad contra los contactos eléctricos Cuestiones y problemas Puesta a tierra 7. Introducción Definición de puesta a tierra Partes de que consta una puesta a tierra Resistencia de paso a tierra Elementos que se deben conectar a la puesta a tierra Tensión de paso y tensión de contacto Cálculo de la puesta a tierra Medición de la puesta a tierra Emplazamiento y mantenimiento de la puesta a tierra Revisión de las tomas a tierra Cuestiones y problemas... 7

6 Índice IV Máquinas eléctricas y regulación de la tensión en los sistemas de potencia Transformadores 8. Introducción Consideraciones generales Principio de funcionamiento del transformador ideal y real Circuito equivalente de un transformador Ensayos del transformador. Ensayos de cortocircuito y de vacío Caída de tensión en un transformador Cuestiones y problemas Regulación de la tensión en líneas aéreas 9. Introducción Cálculo de las condiciones eléctricas en una línea de energía eléctrica Cálculo aproximado de la caída de tensión en una línea corta Flujo de potencia en una línea eléctrica aérea Regulación de la tensión en líneas eléctricas Cálculo de la potencia reactiva de compensación en paralelo Problema resuelto de regulación de la tensión en las líneas eléctricas Cuestiones y problemas...98 V Generación de la energía eléctrica Energías renovables 0. Introducción Energía eólica Energía solar. Energía fototérmica y fotovoltaica Energía de la biomasa Energía geotérmica Energía del mar, Maremotriz, de las corriente marinas.y de las olas Minicentrales eléctricas y centrales de bombeo Conclusiones Cuestiones y problemas Centrales eléctricas convencionales. Tipos de centrales eléctricas Las centrales eléctricas en España Las centrales hidroeléctricas Las centrales termoeléctricas clásicas Las centrales nucleares Cuestiones y problemas... 37

7 Tecnología eléctrica VI Funcionamiento económico de los sistemas de potencia Tarifas eléctricas. Introducción Tarifas eléctricas. La factura eléctrica (BOE 3//0) Clasificación de las tarifas Liberalización del sector eléctrico Comercialización de la energía eléctrica Impuesto sobre la electricidad Bajada de las tarifas Problemas resueltos sobre diversos tipos de tarifas Cuestiones y problemas Despacho económico 3. Introducción al despacho económico Control de un sistema de potencia Funcionamiento económico de las centrales eléctricas Control automático de la generación Funcionamiento económico de los sistemas de potencia Cuestiones y problemas Anexos I Constantes de magnitudes físicas, terrestres y cuánticas II Resistividad (ρ), coeficiente de temperatura (α), punto de fusión (ºC) y densidad (δ) de diversos materiales y aleaciones III Coeficientes de resistividad de los aislantes IV Magnitudes y unidades magnéticas V Conductores eléctricos VI Conductancia. Autoinducción y susceptancia VII Método de las constantes auxiliares VIII Método del circuito equivalente en "T" y en "Π" IX Fórmulas para el cálculo de líneas eléctricas X Resumen de fórmulas de líneas eléctricas Bibliografía

8 I La electricidad: conceptos previos 3 I La electricidad: conceptos previos Presentación Con éste primer módulo, formado por el capítulo de introducción, se pretende que el lector entre en contacto con el mundo eléctrico haciendo un recorrido histórico desde sus inicios hasta su situación actual. Así, al principio se realiza un repaso a la historia de la electricidad: los primeros descubrimientos, los científicos, la evolución de la electricidad, los problemas a los que se enfrentaron los primeros productores de energía, el rápido progreso alcanzado por esta energía o su situación actual serán tratados en un primer apartado. Seguidamente se expondrán los diversos métodos para la generación, transporte y consumo de esta energía, haciendo hincapié en las diversas estructuras de los sistemas de potencia, las tensiones y frecuencias normalizadas, los tipos de suministros o las ventajas e inconvenientes que presentan los dos sistemas mayoritarios de generación: alterna y continua. Asimismo se introducirán las principales máquinas eléctricas, como el generador, el motor o el transformador, las cuales serán tratadas en profundidad en capítulos posteriores, pero será en este primer capítulo donde cada máquina se situará dentro del conjunto de componentes que forma un sistema de potencia. Una vez definido el suministro mayoritario en la actualidad: la corriente alterna, se realizará un repaso a los parámetros o características principales que definen esta energía. Así, frecuencia, periodo, energía, potencia, valores máximos, mínimos o eficaces, tensiones más usuales, transformación o formas de conexión de las bobinas (estrella o triángulo) serán objeto de estudio en este apartado. Finalmente, se realizará una introducción a los diversos sistemas de generación de energía eléctrica: los sistemas convencionales y los sistemas de energías renovables. Cada una de estas energías dispondrá de un capítulo específico en la obra, pero de forma resumida, en este primer capítulo, se darán las razones que aconsejan la utilización de cada tipo de energía considerando sus ventajas e inconvenientes. La importancia de este capítulo radica en situar a los lectores en un mismo nivel de partida, con unos conocimientos que, aunque básicos, les permitan estar familiarizados con los aspectos técnicos generales, nomenclatura y forma de exposición utilizada en esta obra. También puede servir este capítulo como resumen de los temas que el lector va a encontrarse a lo largo del libro. En definitiva, se pretende preparar al lector para asimilar de forma cómoda y rápida los siguientes capítulos bastante más técnicos y específicos.

9 4 Tecnología eléctrica Unas cuestiones y ejercicios al final del capítulo permiten al lector evaluar su nivel de asimilación de la materia, aparte de resultar una forma rápida de repasar, a posteriori, cualquier duda o concepto sobre la materia estudiada. Contenidos Capítulo I: La electricidad. Consideraciones generales Objetivos La electricidad. Consideraciones generales Introducir al alumno en el mundo eléctrico. Conocer la cronología histórica de la electricidad. Conocer la estructura de una red básica eléctrica. Comparar los tipos de suministros eléctricos, razonando las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos. Conocer las magnitudes eléctricas características. Frecuencia, intensidad, tensión, potencia, energía, transformación, valores máximos, instantáneos y eficaces, etc. Conocer las tensiones utilizadas más usuales, así como la agrupación que de ellas se realiza en diversos niveles o grupos de tensión. Adquirir los conceptos básicos de la generación de energía eléctrica mediante el empleo de las energías convencionales. Adquirir los conceptos básicos de la generación energética mediante el empleo de las energías renovables (eólicas, solares, de biomasa, geotérmicas, de origen marino, etc.)

10 La electricidad 5 La electricidad. Historia de la electricidad Las propiedades eléctricas o electroestáticas de ciertos materiales eran ya conocidas por las civilizaciones antiguas. Hacia el año 600 a.c., el filósofo y científico Thales de Mileto había comprobado que si se frotaba el ámbar, éste atraía hacia sí objetos más livianos. Se creía que la electricidad residía en el objeto frotado. De ahí que el término electricidad provenga del vocablo griego elecktron, que significa ámbar. En los dominios de la antigua Roma ya se explotaba un mineral que también poseía la propiedad de atraer a ciertos materiales (los metálicos), este mineral recibía el nombre de magnetita, mineral muy apreciado en la antigüedad precisamente por sus particulares características. Pero no fue hasta la época del Renacimiento cuando comenzaron los primeros estudios metodológicos, en los cuales la electricidad estuvo íntimamente relacionada con el magnetismo. Antes del año 800, el estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos sólo interesó a unos cuantos científicos, como W. Gilbert, C. A. de Coulomb, L. Galvani, Otto Von Guericke, Benjamín Franklin, o Alessandro Volta. Algunos otros hicieron importantes contribuciones al aún insuficiente y fragmentado conocimiento de la electricidad, pero en aquel tiempo no se conocían todavía sus aplicaciones y los estudios sólo fueron motivados por una simple curiosidad intelectual. La población iluminaba sus hogares con velas, lámparas alimentadas con aceite de ballena y petróleo, y la potencia motriz era suministrada generalmente por personas o animales de tracción. El inglés William Gilbert comprobó que algunas sustancias se comportaban como el ámbar y cuando eran frotadas atraían objetos livianos, mientras que otras no ejercían ninguna atracción. A las primeras, entre las que ubicó al cristal, al azufre y la resina, las llamó eléctricas, mientras que a las segundas, como el cobre o la plata, aneléctricas. A principios del siglo XIX, el conde Alessandro Volta construyó una pila galvánica. Colocó capas de cinc, papel y cobre, y descubrió que si se unía la base de cinc con la última capa de cobre, el resultado era una corriente eléctrica que fluía por el hilo de la unión. Este sencillo aparato fue el prototipo de las pilas eléctricas, de los acumuladores y de toda corriente eléctrica producida hasta la aparición de la dinamo. Mientras tanto, George Simon Ohm sentó las bases del estudio de la circulación de las cargas eléctricas en el interior de materias conductoras, postulando su ley, en la cual se relacionaba la resistencia con la intensidad y la tensión, es decir, tres de las cuatro magnitudes más importantes de la electricidad. En 89, Hans Cristian Oersted descubrió que una aguja magnética colgada de un hilo se apartaba de su posición inicial cuando pasaba próxima a ella una corriente eléctrica, y postuló que las corrientes

11 6 Tecnología eléctrica eléctricas producían un efecto magnético. De esta simple observación salió la tecnología del telégrafo eléctrico. Sobre esta base, André Marie Ampère dedujo que las corrientes eléctricas debían comportarse del mismo modo que los imanes. El descubrimiento de Ampère llevó a Michael Faraday a suponer que una corriente que circulara cerca de un circuito induciría otra corriente en él. El resultado de su experimento fue que esto sólo sucedía al comenzar y cesar de fluir la corriente en el primer circuito. Sustituyó la corriente por un imán y encontró que su movimiento en la proximidad del circuito inducía en éste una corriente. De forma que pudo comprobar que el trabajo mecánico empleado en mover un imán podía transformarse en corriente eléctrica. Hacia mediados del siglo XIX se estableció la distinción entre materiales aislantes y conductores. Los aislantes eran aquellos a los que Gilbert había considerado eléctricos, en tanto que los conductores eran los aneléctricos. Esto permitió que se construyera el primer almacenador rudimentario: estaba formado por dos placas conductoras que tenían una lámina aislante entre ellas. Fue conocido como botella de Leyden, en honor a la ciudad donde se realizo el inventó. Durante este mismo periodo ocurrieron impresionantes avances en la compresión de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Humphrey Davy, André Marie Ampere, G.S. Ohm y Karl Gauss realizaron importantes descubrimientos, pero el descubrimiento que llegó a ser fundamental para elevar el concepto de la electricidad como un fenómeno científico interesante a una gran tecnología con implicaciones sociales de grandes alcances se logró de forma independiente por los investigadores Michael Faraday y Joseph Henry. Ampère y otros ya habían observado que los campos magnéticos eran generados por corrientes eléctricas; sin embargo, ninguno había descubierto cómo se podían obtener corrientes eléctricas a partir de campos magnéticos. Faraday trabajó en ello de 8 a 83, logrando el éxito al formular la ley que lleva su nombre. Posteriormente construyó una máquina generadora de voltaje según los principios de inducción magnética. Se tenía ahora una fuente de electricidad que rivalizaba (y excedía en mucho) las posibilidades de la pila voltaica y las botellas de Leyden. James Prescott Joule, descubrió a qué eran debidas las pérdidas de energía. Mediante la ley de Joule, enunciada en 84, según la cual la cantidad de calor desprendido por un conductor al paso de una corriente eléctrica es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia de dicho conductor y al tiempo durante el cual circula dicha corriente, según la expresión: Q= ki Rt, donde k es una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades utilizado. Varios investigadores, incluyendo Carl Siemens, Wheatstone, Varley, Gramme, aplicaron los principios de inducción en la construcción de primitivos generadores eléctricos en el periodo comprendido entre 840 a 870. Casi al mismo tiempo, un fenómeno descubierto algunos años atrás, atrajo especial atención como una práctica fuente luminosa. Se observó que cuando dos electrodos conducían corriente se mantenían separados, se formaba entre ellos un arco eléctrico de intenso brillo. Los experimentos de Faraday fueron expresados matemáticamente por James Maxwell, quien en 873 presentó sus ecuaciones, que unificaban la descripción de los comportamientos eléctricos y magnéticos y su desplazamiento a través del espacio en forma de ondas. En 878 Thomas Alva Edison comenzó los experimentos que terminarían, un año más tarde, con la invención de la lámpara eléctrica, que universalizaría el uso de la electricidad. Desde que en 880 entró en funcionamiento en Londres la primera central eléctrica destinada a iluminar la ciudad, las aplicaciones de esta forma de energía se extendieron progresivamente. En Buenos Aires, el sistema eléctrico comenzó con la aparición de la Compañía General Eléctrica Ciudad de Buenos Aires, en

12 La electricidad En 88 se instaló el primer sistema para la venta de energía eléctrica para el alumbrado incandescente en EE.UU. El sistema era de corriente continua (DC), de tres cables 0/0 V, y alimentó una carga de lámparas de Edison que tenían un requerimiento total de 30 KW de potencia. Este y otros sistemas avanzados fueron el principio de lo que se convertiría en una de las industrias más grandes del mundo. Entre 800 y 80 se fundaron compañías comerciales de alumbrado con gas, primero en Europa y poco después en Estados unidos. Hubo oposición al alumbrado de gas por su potencia explosiva. Sin embargo, la ventaja básica de más luz a menor precio no podía seguir ocultándose, por lo que se acabó desarrollando la industria durante el siglo XIX, teniendo su punto culminante alrededor de 885. Las antiguas compañías eléctricas se autonombraban compañías de iluminación, ya que el alumbrado constituía su único servicio. Sin embargo, muy pronto se encontró un problema técnico que aún prevalece: la carga que la compañía tenía que satisfacer comenzaba al anochecer, se mantenía casi constante en las primeras horas de la noche, y después caía de forma precipitada a las p.m., aproximadamente, a un 50% o menos. Era evidente que se tenía un complicado sistema, que permanecía ocioso o al menos infrautilizado la mayor parte del tiempo. En este caso, se podrían encontrar otras aplicaciones que ocuparan las etapas de inactividad? Ya se conocía el motor eléctrico, y la existencia de un substituto eléctrico era un incentivo para su mejoramiento y aceptación comercial. El uso de potencia eléctrica motora llegó a ser popular con rapidez y se le dieron muchas aplicaciones. Debido a sus funciones cada vez más extensas, las compañías comenzaron a nombrarse compañías de luz y fuerza. Surgió otro problema técnico: los incrementos de carga se tradujeron en incremento de corriente, lo que causó caídas de tensión que eran inaceptables si las plantas generadoras estaban ubicadas a grandes distancias de las cargas. El hecho de mantener los generadores cerca de las cargas llegó a ser cada vez más difícil, ya que los lugares adecuados para la generación frecuentemente no estaban disponibles. Se sabía que la potencia eléctrica era proporcional al producto del voltaje y la corriente. Es decir, se obtendría menor corriente a mayor voltaje. Desgraciadamente, no era deseable un voltaje más alto desde cualquiera de los dos puntos de vista. El tecnológico y la seguridad del cliente. Lo que se requería era transmitir la potencia a un voltaje más alto a través de grandes distancias, y después cambiarlo a valores menores en los sitios de carga. La clave era diseñar un dispositivo que pudiese transformar niveles de corriente y voltaje de forma fiable y eficiente. En la década de 890, la compañía Westinghouse, recién constituida, experimentó una nueva forma de electricidad, denominada corriente alterna (AC), inspirada en el hecho de que la corriente invierte alternativamente el sentido del flujo en sincronismo con el generador rotatorio. Esta novedad tenía muchas ventajas inherentes; por ejemplo, se eliminaron los problemas de conmutación, propios de los generadores de DC, lo que dio lugar a controversias entre Edison, de la nueva compañía General Electric, y la Westinghouse, para definir si la industria debía establecer normas sobre AC o DC. Finalmente triunfó la corriente alterna, por las siguientes razones: - El transformador de AC podía satisfacer el requerimiento necesario de cambiar fácilmente los niveles de voltaje y corriente. - El generador de AC era más sencillo. - Los motores de AC, sin ser versátiles, eran más sencillos y más baratos. Una vez que se estandarizó la AC, apareció prácticamente el concepto de estación central y desaparecieron los problemas de las cargas lejanas. Este tipo de compañías tuvieron cada vez mayor número de clientes, ya que la mayor parte del incremento de carga se podía manejar sin que hubiera

13 8 Tecnología eléctrica necesidad de incrementar la inversión del capital; se abarató el costo por unidad de energía, lo que atrajo aún más clientes. Las empresas eléctricas locales se extendieron en tal forma que compartieron sus límites. Esta ventaja operativa fue aparente; como las cargas en sistemas adyacentes no necesariamente alcanzaban su máximo al mismo tiempo, por qué no interconectar los sistemas y satisfacer las condiciones de carga pico con la generación de potencia combinada? Ya se conocían estas ventajas de interconectar diferentes lugares generadores y cargas; por tanto, este paso sería una extensión lógica del principio y una mejor utilización del equipo correspondiente. Inmediatamente surgió un problema técnico; en aquel tiempo, estaban en uso muchas frecuencias diferentes incluyendo DC, y AC de 5, 50, 60 5 y 33 Hz (en 900). Como los sistemas interconectados debían operar a la misma frecuencia, se requerían equipos de conversión de frecuencia de alto coste. Fue evidente el incentivo para estandarizar las frecuencias. En aquel tiempo, las unidades generadoras de las cataratas del Niágara y otras instalaciones hidroeléctricas usaban 5 Hz, ya que las hidroturbinas se podían diseñar para operar con mayor rendimiento a estas velocidades mecánicas; este fue un fuerte apoyo para usar esa frecuencia. El problema con 5 Hz radicaba en el hecho de que producía un parpadeo perceptible en las lámparas incandescentes. Eventualmente se adoptó una frecuencia mayor, de 60 Hz, como norma en Estados Unidos, ya que poseía características eléctricas aceptables y porque las turbinas de vapor trabajaban satisfactoriamente a las correspondientes velocidades mecánicas de 3600 y 800 rev / min. El progreso tecnológico en el diseño de aparatos de potencia continuó: cuando una empresa extendía sus sistemas, los nuevos generadores y transformadores comprados eran invariablemente de mayor capacidad y rendimiento. Se desarrollaron mejores lámparas eléctricas, proporcionando al cliente más luz por unidad de energía. Con la constante baja en el coste de la energía, la selección de motores eléctricos como propulsores mecánicos llegó a ser muy popular para toda clase de aplicaciones. Por todo lo expuesto, la electricidad constituye, hoy por hoy, una de las manifestaciones energéticas más difundidas, tanto por su facilidad de generación, transporte y consumo como por sus numerosas aplicaciones y conversión en otras formas de energía (mecánica y térmica, principalmente). No obstante, no está todo solucionado en el campo eléctrico. Actualmente el gran problema que se plantea es la imposibilidad de almacenar energía eléctrica en su forma alterna no existiendo métodos realmente eficaces para conseguirlo de forma definitiva y en grandes cantidades. Un sistema eléctrico, es un sistema capaz de generar, transportar y consumir energía eléctrica. Por ejemplo, una linterna, con su batería (generador), sus hilos (transporte), y su bombilla (carga), constituye un ejemplo sencillo de sistema eléctrico. Un sistema eléctrico de potencia es un sistema con generación, transporte y consumo de energía eléctrica, pero en grandes cantidades (millones de vatios), a grandes distancias (cientos de km), y con grandes consumos (millones de vatios). Actualmente los grandes sistemas eléctricos son las redes de interconexión más importantes que se conocen, ya que llegan prácticamente a todos los confines del mundo.. Cronología histórica de la electricidad A continuación se exponen algunas fechas y nombres relevantes que han contribuido al desarrollo y evolución de la electricidad a lo largo de la historia.

14 La electricidad AC: Tales de Mileto ( a.c.) descubre que si se frota el ámbar, éste atrae a los objetos más livianos : Alessandro Volta (745-87) descubre la pila eléctrica. - 89: Hans Oersted (777-85) descubre el efecto magnético de la corriente eléctrica, probando que la electricidad puede producir magnetismo. - 8: Michael Faraday (79-867) describe el principio de la dinamo. - 87: André Marie Ampère ( ) descubre las leyes que relacionan la fuerza magnética con la corriente eléctrica. - 87: George Ohm ( ) establece la ley de la resistencia eléctrica. - 83: Michael Faraday descubre la inducción electromagnética, confirmando así que el magnetismo puede producir electricidad : Thomas Alva Edison inventa la lámpara eléctrica : En Londres comienza a funcionar la primera central eléctrica destinada a iluminar una ciudad : Se inicia el sistema de iluminación eléctrico en la ciudad de Buenos Aires : Heike Kammerlingh Onnes (853-96) descubre el principio de la superconducción..3 Estructura de un sistema eléctrico Son todos los componentes, máquinas y sistemas necesarios para garantizar un suministro de energía eléctrica, en un área concreta, con seguridad y calidad. Dependiendo de la energía que se quiera transformar en electricidad, será necesario aplicar una determinada acción. Se podrá disponer de electricidad por los siguientes procedimientos: Tabla. Forma de obtención de diversos tipos de energía Energía Mecánica Mecánica Química Magnética Luminosa Calórica Acción Frotamiento Presión Química Magnetismo Luz Calor De todos las energías enunciadas anteriormente, la más empleada para producir electricidad en grandes cantidades es la magnética. Su producción se basa en el hecho de que, al mover un conductor (material con gran movilidad de electrones) en presencia de un imán (campo magnético), en el conductor se produce un movimiento ordenado de electrones, como consecuencia de las fuerzas de atracción y repulsión originadas por el campo magnético. En esta forma de producción de electricidad se basa el funcionamiento de los alternadores, motores y dinamos. Alternador: dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (Produce Corriente Alterna.) Motor: Dispositivo capaz de transformar la electricidad en movimiento rotatorio.

15 0 Tecnología eléctrica Dinamo: Dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (Produce Corriente Continua.) Turbina: Dispositivo mecánico que transforma, la energía cinética de un fluido, en movimiento rotativo y viceversa. Cualquier central eléctrica, basa su producción de electricidad en el giro de turbinas unidas a ejes de alternadores. Este giro se producirá por la caída de agua (central hidroeléctrica) o por el empuje de vapor de agua a presión. En función del origen del calor utilizado para producir vapor, podemos clasificar las centrales como: Térmicas: Queman combustibles fósiles (sólidos, líquidos o gases). Nucleares: Emplea combustibles atómicos (fisión nuclear). Geotérmicas: Utilizan el calor del interior de la Tierra. Solares: Utilizan el calor del Sol. Otras: Cualquier forma de producción de calor. Cabe mencionar el aumento de los parques eólicos y de las restantes energías renovables. En los parques eólicos se emplean gran cantidad de aerogeneradores. Estos son pequeños alternadores cuyo giro se consigue mediante aspas movidas por la fuerza del viento..3. Obtención de energía eléctrica mediante el aprovechamiento del agua Para exponer los componentes y máquinas que intervienen en la generación de la energía eléctrica realizaremos una hipotética instalación eléctrica aprovechando la energía potencial de un lago de montaña. El aprovechamiento de los lagos de montaña es uno de los sistemas menos utilizados, tanto por su escaso potencial energético como por la dificultad de su aprovechamiento racional, ya que para poder ser utilizados como almacenes de agua, los lagos tienen que disponer de un aporte del líquido elemento que los mantenga a un nivel aceptable sin demasiadas variaciones anuales. Este aporte puede provenir de la fusión de las nieves, corrientes subterráneas, ríos, etc. pero en cualquier caso deberá garantizar que el nivel de las aguas permanezca prácticamente constante, aun con el aprovechamiento hidroeléctrico que de él se quiera realizar. Supongamos que disponemos de esta reserva natural de agua, y que la intervención hidroeléctrica a que se le someterá no interfiera en sus condiciones medioambientales; si se cumplen estos requisitos, estaremos en condiciones de iniciar su aprovechamiento. El proceso pasará por transformar la energía potencial de que las aguas disponen (debido a la altura topográfica en la que están situadas respecto al valle) en energía cinética (agua con velocidad), útil para generar un giro en los alabes de las turbinas. Para ello se canalizan las aguas del lago mediante tuberías adecuadas, las cuales aprovechando el desnivel geográfico entre el lago y el valle impulsarán agua a velocidad y presión adecuadas para accionar las paletas de las turbinas que se encontrarán en el fondo del valle.

16 La electricidad Los componentes y máquinas serán por tanto: Tubería El agua obtenida del lago la canalizamos mediante una tubería en pendiente. La energía potencial, Ep = m g h, que teníamos al inicio, la transformamos mediante su velocidad en energía cinética, Ec = g v. Turbina En la turbina la energía se transforma en energía mecánica mediante el giro de su eje central. Es necesario disponer de agua a una presión y velocidad determinadas para poder girar el eje de la turbina. Estas condiciones de presión y velocidad dependerán del tipo de turbina utilizada (Pelton, Francis, Kaplan). Alternador El alternador, al estar conectado con el eje de la turbina, consigue el giro de su rotor, que unido a la influencia de las bobinas del estátor genera energía eléctrica. Un alternador es un generador asíncrono capaz de transformar la energía mecánica en corriente eléctrica alterna. Los alternadores basan su funcionamiento en el fenómeno de inducción magnética: una dinamo excitatriz suministra corriente al devanado inductor del rotor, el cual crea un campo magnético; el estátor forma el circuito inducido, en donde se crea la corriente alterna, proporcional a la velocidad angular del rotor. La energía mecánica que provoca el movimiento del rotor puede proceder de una turbina hidráulica o de vapor, de un motor de explosión o de cualquier otra fuente externa. Los alternadores se denominan monofásicos o polifásicos (generalmente son trifásicos) según el número de fases de la corriente alterna producida. Transformador El transformador es un elemento eléctrico basado en el fenómeno de inducción mutua y destinado para transformar la tensión de una corriente alterna, pero conservando la potencia y la frecuencia. Para existir transporte de energía eléctrica es necesario disponer de una intensidad muy baja. Hay dos tipos de transformadores. El transformador elevador, que aumenta la tensión y baja la intensidad con potencia constante (al inicio de las líneas eléctricas), y el transformador reductor, que reduce la tensión y aumenta la intensidad con potencia constante (al final de las líneas). Motor Finalmente esta energía deberá ser aprovechada por medio de motores u otras máquinas que nos permitan transformar la energía eléctrica en movimiento u otra forma determinada de energía.

17 Tecnología eléctrica A modo de esquema vemos los componentes representados en la siguiente figura: Lago Salto de agua Turbina Alternador TR Transporte TR Fig.. Distribución de componentes en un sistema de potencia convencional Transformador Motor Transformador FFig.. Distribución de componentes en un sistema de potencia convencional Fig.. Distribución de componentes en un sistema de potencia convencional.4 Suministros eléctricos Ya hemos visto con un ejemplo sencillo cómo generar y transformar la energía eléctrica. Pero para su correcta utilización es necesario realizar un transporte, ya que los centros de producción suelen estar alejados de los centros de consumo. Este transporte puede realizarse de dos grandes formas: mediante la utilización de la energía eléctrica en su forma de continua (DC), o mediante la utilización de la energía eléctrica en su forma de alterna (AC). Corriente continua: En cada instante los electrones circulan en la misma cantidad y sentido. Es el tipo de corriente generada por un pila o una batería. Se utiliza para suministros a grandes distancias y grandes potencias, pero resulta más costoso que la alterna, ya que estos suministros deberán reunir unos requisitos para poder ser efectivos. La energía en continua se puede almacenar. Corriente alterna: Dependiendo del instante, los electrones circularán en un sentido o en otro, siendo también variable su cantidad. Es el tipo de corriente más empleada, siendo la que se dispone en cualquier enchufe eléctrico de una vivienda. Es la corriente que más utilizamos, llegando su uso al 99% del total de energía actual. Existen dos variantes, la corriente alterna monofásica (para bajas potencias), y la corriente alterna trifásica, que es la mas utilizada..4. Ventajas e inconvenientes de los suministros en alterna o continua Actualmente, como se ha indicado, más del 99% de los suministros se realizan mediante el empleo de la corriente eléctrica en su modalidad alterna trifásica, aun teniendo el grave problema de su imposibilidad de almacenamiento, mayor peligrosidad en caso de accidente, peor control y regulación de las máquinas eléctricas y dificultad de cálculo. Pero la gran ventaja que representa su facilidad de transformación mediante el empleo de transformadores, le da una ventaja enorme a la hora del transporte respecto a su rival, la energía continua. La siguiente tabla resume, de forma más clara estas diferencias entre los suministros en continua y en alterna, dándose de esta última sus dos versiones, monofásica y trifásica.

18 La electricidad 3 Tabla. Ventajas e inconvenientes de los diversos tipos de suministro de energía eléctrica Sistema Ventajas Desventajas Corriente continua Corriente alterna monofásica Corriente alterna trifásica. Distribución con dos o un solo conductor, utilizando la tierra como conductor de retorno.. Mejor utilización de los aparatos, que pueden soportar una tensión más elevada. 3. Control simple y flexible de las máquinas eléctricas. 4. Cálculos mucho más simples, al no depender del tiempo. 5. Posibilidad de almacenamiento de esta energía en grandes cantidades. 6. Resulta cuatro veces menos peligrosa que la corriente alterna.. Distribución con dos o un solo conductor.. Facilidad de interrupción de la corriente. 3. Facilidad de transformación, para adaptar el nivel de tensión. Permite crear un campo magnético giratorio.. La potencia eléctrica generada o transportada en régimen permanente es constante. 3. Permite el empleo de la tensión fase-fase o de la tensión fase-neutro. 4. La potencia transportada representa el triple de la transportada en monofásico. 5. El uso de transformadores permite elevar la tensión para realizar el transporte a grandes distancias.. Imposibilidad de empleo de transformadores, lo que dificulta el cambio de nivel de tensión.. La interrupción de corriente continua presenta más problemas que la de corriente alterna. 3. La circulación de corriente continua por tierra provoca corrosión galvánica en objetos enterrados.. Una corriente monofásica no permite crear un campo magnético giratorio.. La potencia generada o transportada en régimen permanente no es constante. 3. El par de una máquina rotativa no es unidireccional. 4. La regulación de máquinas rotativas es difícil. 5. La potencia AC monofásica es /3 potencia AC trifásica.. Distribución con tres o más conductores.. La interrupción de corriente requiere tres interruptores (uno en cada fase). 3. La regulación de velocidad de máquinas rotativas no es tan simple como en las de corriente continua. 4. Más peligrosa que la corriente continua. 5. Más dificultad a la hora de realizar cálculos..5 Parámetros eléctricos característicos Una vez se ha definido que el suministro mayoritario se realiza en la actualidad mediante el empleo de la corriente alterna, es necesario conocer algunos de sus parámetros o características que lo definen. Las más importantes son: frecuencia, periodo, energía o potencia, tensiones más usuales, transformación y formas de conexión. Veamos una síntesis básica de las más importantes.

19 4 Tecnología eléctrica.5. Frecuencia y periodo Por tensión alterna se entiende, en general, una tensión eléctrica cuya magnitud y sentido están sometidos a variaciones que dependen del tiempo. En la mayoría de los casos prácticos, estas variaciones se producen de forma periódica, es decir, se repiten para cada espacio igual de tiempo, las mismas magnitudes y los mismos sentidos. Estos espacios de tiempos iguales reciben el nombre de periodos, T. La tensión generada transcurre en el tiempo según una función seno. T= periodo (sg) F= frecuencia (Hz) f = T = sg = Hz (herzios) Energía E = f k Siendo k = constante de Planck. Esto nos indica que las ondas con mayor frecuencia darán más energía que las que tengan periodos más largos (frecuencias menores). Longitud de onda λ = c f Siendo c = la constante de la velocidad de la luz; ( km/s). Fig.. Forma característica de la evolución temporal de una magnitud eléctrica alterna Resumiendo, la frecuencia es la inversa del periodo; la longitud de onda es proporcional al periodo e inversamente proporcional a la frecuencia, y la energía es proporcional a la frecuencia. La mayoría de los países utilizan una frecuencia de 50 Hz, es decir, el periodo se realiza 50 veces por segundo. Países como Canadá, EEUU, Japón, o Brasil, utilizan una frecuencia de 60 Hz. A 60 Hz con el mismo componente o máquina, se obtienen valores de potencia superiores debido a su mayor frecuencia. Entonces por qué no todos los países adoptan los 60 Hz, o aún mejor, 00 Hz, 000 Hz, o Hz, si a más frecuencia más energía? La respuesta es simple; al aumentar la frecuencia también aumenta su reactancia inductiva (X L =w L) y por tanto aumenta el consumo, bajando el

20 La electricidad 5 rendimiento. El rendimiento óptimo se obtiene alrededor de los 50 Hz, siendo a esta frecuencia donde las máquinas trabajan en condiciones económicas. Frecuencias mayores se aplican cuando con poco peso se deben conseguir potencias elevadas, sin importar mucho el consumo; un ejemplo lo constituyen los aparatos destinados al transporte aéreo, donde priva el peso sobre el consumo. Fig..3 Relación entre el rendimiento y la variación de la frecuencia en corriente alterna.5. Amplitud Representa el valor máximo de la función seno. Como es independiente del tiempo, se le designa con una letra mayúscula. Es por otra parte la mitad del valor pico a pico o extremo..5.3 Ángulo de fase ϕ Es el formado entre un punto 0 (t = 0) fijado arbitrariamente y el pase por cero hacia el sentido positivo de la función seno. Equivale al desplazamiento entre fases o desfase de la función seno considerada respecto a otra con origen en el punto 0 y tomada como curva de referencia..5.4 Valores de las magnitudes alternas Junto a estas tres magnitudes características, amplitud, frecuencia y ángulo de fase, hay que tener en cuenta los siguientes valores: Valor eficaz de una magnitud alterna: La mayoría de los instrumentos de medida que se utilizan no pueden captar un valor especial instantáneo, como es el máximo, sino un valor medio, llamado eficaz. Su magnitud se deduce considerando la potencia de la corriente alterna, y comparándola con la de la corriente continua. Valor medio aritmético: Si se mide una magnitud alterna con un instrumento de medida dotado de rectificador de corriente, la lectura obtenida corresponde a la media aritmética de todos los valores instantáneos. Las tres magnitudes: valor máximo, valor eficaz y valor medio aritmético, no guardan una relación fija entre sí, sino que ésta depende de la forma de la curva de que se trate. Los instrumentos de medida que se contrastan para una forma de curva determinada indican valores erróneos si la magnitud de medida se aparta de dicha curva.

21 6 Tecnología eléctrica.5.5 Conexión de bobinas Entendemos por bobina al conjunto de espiras de hilo conductor arrolladas al aire o sobre un núcleo de material ferromagnético, empleado para obtener campos magnéticos o para intercalar una inducción en un circuito. La bobina de inducción es un aparato eléctrico que permite obtener corrientes de alto voltaje a partir de una corriente continua de baja tensión. Si tratamos de corrientes alternas trifásicas, como su nombre indica, serán necesarias tres bobinas, una para cada fase. Como cada bobina dispone de dos terminales, en total significarán seis terminales o puntos de conexión. La unión de estos terminales se puede realizar de varias formas, siendo dos las más empleadas en la actualidad: la conexión en estrella y la conexión en triángulo. Conexión en estrella Si los devanados de fase de un generador o consumidor se conectan, de modo que los finales de los devanados se unan en un punto común y los comienzos de éstos sean conectados a los conductores de la línea, tal conexión se llama conexión en estrella y se designa con el símbolo Y. Los puntos en los cuales están unidos los terminales de los devanados de fase del generador o del consumidor se denominan correspondientemente puntos neutros del generador (0) y del consumidor (0 ). Ambos puntos 0 y 0 están unidos con un conductor que se denomina conductor neutro o hilo central. Los otros tres conductores del sistema trifásico que van del generador al consumidor se denominan conductores de la línea. De este modo, el generador está unido con el consumidor mediante cuatro conductores. Por eso, dicho sistema se denomina sistema tetrafilar de corriente trifásica. En un sistema de corriente trifásica equilibrado, el papel de conductor de vuelta lo ejecutan tres conductores del sistema, ya que al estar desfasados entre ellos 0º se anulan mutuamente, mientras que en un sistema trifásico desequilibrado de cuatro conductores el retorno se producirá a través del conductor neutro. Durante el servicio, por el conductor neutro pasa una corriente igual a la suma geométrica de tres corrientes: I A, I B, e I C, es decir, I 0 = I A + I B + I C, que es cero en un sistema equilibrado. Las tensiones medidas entre los comienzos de las fases del generador o consumidor y el punto neutro o conductor neutro se llaman tensiones de fase y se designan con V A, V B, V C o en forma general con V f. A menudo se establecen de antemano magnitudes de las f.e.m. de los devanados de fase del generador, designándose éstas con E A, E B, E C, o E f,. si despreciamos las resistencias de los devanados del generador, se puede escribir: E A = V A; E B = V B ; E C = V C ; E f = V f. Las tensiones medidas entre los comienzos de las fases A y B, B y C, C y A del generador o consumidor se llaman tensiones compuestas y se designan con U AB, U BC, U CA o, en forma general, con U Comp. El valor instantáneo de la tensión compuesta es igual a la diferencia entre los valores instantáneos de las tensiones de fase correspondientes. En la conexión en estrella la tensión compuesta es 3 veces mayor que la de fase. Es decir: U l = 3 U f

22 La electricidad 7 La corriente que pasa por un devanado de fase del generador o consumidor se llama corriente de fase y se designa en forma general con I f. La corriente que pasa por un conductor de la línea se llama corriente de la línea y se designa en forma general con I l. En el caso de la conexión en estrella, la corriente de la línea es igual a la de la fase, o sea, I l = f El punto neutro de la estrella del consumidor puede estar en el interior del triángulo de tensiones compuestas, coincidir con uno de sus vértices, encontrarse en uno de sus lados y en algunos casos estar fuera del triángulo. Conexión en triángulo Los generadores o consumidores de corriente trifásica pueden conectarse no sólo en estrella, sino también en triángulo. Reuniendo por pares los conductores de un sistema independiente hexafilar y uniendo las fases, pasamos a un sistema trifásico trifilar conectado en triángulo. La conexión en triángulo se ejecuta de modo que al comienzo de la fase A se conecta el extremo final de la fase B. El comienzo de esta fase B se conecta al final de la fase C, uniéndose finalmente en inicio de la fase C, con el inicio de las fase A. Los puntos de unión de las fases sirven para conectar los conductores de la línea. Si los devanados del generador están conectados en triángulo, cada devanado de fase crea tensión compuesta. El consumidor conectado en triángulo tiene la tensión compuesta conectada a los bornes de la resistencia de fase. Por consiguiente, en caso de conexión en triángulo, la tensión de fase es igual a la compuesta: U Comp = V f. La dependencia entre las corrientes de fase y de la línea, en el caso de conexión en triángulo es: 3 I l = I f cos 30º. Puesto que: cos 30º =, entonces: 3 I l = I f = 3 I f Por consiguiente, en el caso de carga equilibrada y conectada en triángulo, la corriente de la línea es 3 veces mayor que la de fase. A modo simplificado el dibujo de los tipos de conexiones de bobinas son: I. Conexión en estrella Conexión en triángulo Fig..4 Diversos tipos de conexionado. Estrella y triángulo